Контроль качества и эксплуатационная долговечность бетонных и железобетонных изделий и конструкций

Преимущество при выборе способов защиты следует отдавать таким методам, которые обеспечат требуемый срок службы конструкции без дополнительных затрат на ремонт.

В табл. 2.5 приведено примерное соотношение различных способов повышения долговечности железобетонных конструкций в агрессивных средах.

Таблица 2.5

Примерное соотношение различных способов повышения долговечности железобетонных конструкций в агрессивных средах, % к сметной стоимости противокоррозионных работ

60

2.4. Схема агрессивноговоздействия на промышленноездание

Солнечная радиация и атмосферные осадки

2.5.1. Описание механизма коррозии

К коррозии бетона I вида относятся процессы, которые возникают при фильтрации через тело бетона воды или водных растворов. Процесс коррозии обусловлен растворимостью продуктов гидратации портландцемента в воде. Наиболее растворимым компонентом является гидроксид кальция (Са(ОН)2), который в избыточном количестве присутствует в поровой структуре. Поэтому данный вид коррозии получил название «коррозия выщелачивания». Интенсивность коррозии определяется проницаемостью (плотностью) бетона и минералогическим составом цемента. Данный вид коррозии наиболее интенсивно проявляется в случае постоянной фильтрации жидкости через тело бетона. Интенсивность коррозии возрастает при наличии в фильтрующей воде сульфат ионов, ионов хлора, натрия и калия.

61

Количество Са(ОН)2 в цементном камне составляет примерно:

9–11 % – в возрасте один месяц;

15 % – в возрасте трех месяцев.

Растворимость Са(ОН)2 в дистиллированной воде при 20 °С – 1,18 г/л (в расчете на СаО). При действии воды на цементный камень образуется пересыщение раствора с концентрацией СаО до 1,6–1,7 и даже 1,9 г/л. Присутствие одноименных ионов (Са++, ОН–)

снижает растворимость, а посторонних (SО4 , Сl–, Nа+, К+) – повы-

шает. Увеличение растворимости усиливает процесс коррозии. Если создаются благоприятные условия для процесса выщелачи-

вания (рис. 2.1), то вначале в раствор переходит и удаляется свободный гидроксид кальция (Са(ОН)2), а затем при уменьшении водородного показателя происходит гидролиз гидросиликатов (СSН) и гидроалюминатов (САН) кальция с выделением гидроксида кальция (Са(ОН)2). Также происходит гидролиз и других гидратов, одновременно гидратируются и зерна клинкера.

2.5.2. Методы исследования

Для исследования процесса коррозии I вида наибольшее распространение получили следующие методы:

экстрагирование водой цементного камня;

фильтрация воды через раздробленный цементный камень;

напорная фильтрация воды через образцы ненарушенного цементного камня и бетона;

растворение извести при омывании водой наружной поверхности образцов.

Метод исследования на раздробленных образцах дает лишь ориентировочную картину и не может использоваться для оценки интенсивности коррозии. Для изучения процесса коррозии предпочтение отдают методу напорной фильтрации воды через образцы (рис. 2.1). Но можно использовать и метод «омывания», например, при имитационных исследованиях.

62

Рис. 2.1. Зависимость количества удаленной извести от скорости фильтрации воды через образец

На рис. 2.1: а–б – прямопропорциональная зависимость (при малой скорости фильтрации и большой толщине изделия). Скорость коррозии определяется количеством фильтрующейся воды (в расчете на единицу поверхности); б–в – концентрация растворенной извести уменьшается с увеличением скорости фильтрации, так как процесс лимитируется временем диффузии извести из глубины микрокапилляров в водный фильтрационный поток; в–г – количество растворенной извести остается постоянным, не зависящим от скорости воды и определяется только скоростью диффузии Са(ОН)2 в цементном камне данной структуры (в случае омывания бетонной поверхности большими количествами воды).

Рис. 2.2. Снижение прочности цементного раствора (а) и бетона (б) при выщелачивании

63

2.5.3. Факторы, оказывающие влияние на стойкость цементного камня и бетона

2.5.3.1. Вяжущие

Стойкость цементного камня и бетона при коррозии I вида зависит от:

минерального и вещественного состава цемента;

микроструктуры цементного клинкера (определяемой скоростью охлаждения клинкера, тонкостью помола и др.).

Например, при ограничении содержания С3S стойкость цементного камня повышается. Лучшая стойкость к коррозии у белитовых

цементов. С увеличением отношения С3S/С2S стойкость снижается. С возрастанием содержания в цементе добавок, связывающих

Са(ОН)2, стойкость возрастает.

По возрастанию стойкости вяжущие можно расположить следующим образом:

песчаный портландцемент;

портландцемент;

гипсошлаковый цемент;

пуццолановый портландцемент;

песчано-пуццолановый портландцемент;

глиноземистыйцемент(преждевсегозасчетвысокойплотности). Введение в состав цемента активной гидравлической добавки,

способной к связыванию гидроксида кальция, существенно повышает его стойкость. Минеральные добавки к цементу не только изменяют химический состав цементного камня, придавая ему большую стойкость к воздействию воды, но и повышают плотность бетона (снижают водонепроницаемость).

По убыванию способности связывать гидроксид кальция добавки можно расположить в следующей последовательности (по доле активности в мг СаО на 1 г добавки в течение 28 суток)

сиштофф – 364;

бренский трепел – 300;

вольский трепел – 296;

карадачский трас – 105

английская пемза – 40;

нальчинский пепел – 36.

64

Процесс связывания Са(ОН)2 добавками не ограничивается 28 сутками иявляется достаточнопродолжительным.

2.5.3.2. Технологические факторы

Так как стойкость к первому виду коррозии зависит от степени связывания Са(ОН)2 и плотности бетона, следовательно, к основным технологическим параметрам можно отнести:

повышение температуры и длительности твердения (позволяет связатьбольшеСа(ОН)2). Наиболееэффективнаавтоклавнаяобработка;

обеспечение высокой относительной влажности среды при твердении бетона;

увеличение продолжительности твердения в нормальновлажностных условиях (особенно эффективно при использовании пуццоланового портландцемента).

2.5.4. Методы защиты от коррозии I вида

Признаком коррозии I вида является наличие на поверхности бетона белого налета («высолова»), который образуется в результате того, что Са(ОН)2, вымываясь из бетона, попадает на поверхность изделия, карбонизируется и превращается в труднорастворимый карбонат кальция (СаСО3).

Наиболее часто коррозия I вида выявляется при эксплуатации: гидротехнических сооружений (плотины), тоннельной обделки, цементных швов, каналов, лотков, резервуаров, труб, штукатурок и т. д.

Наличие белых пятен не является свидетельством опасности коррозии, а лишь количество налета может служить оценкой скорости протекания коррозионного процесса.

К основным методам защиты конструкций от коррозии I вида относятся:

искусственная либо естественная карбонизация бетона;

обработка поверхности солями и слабыми кислотами с целью

образования слоя малорастворимых солей кальция. Пример: Н2SiF6, щавелевая Н2С2О4, фосфорнокислый Са(Н2РО4)2.

2.6. Коррозия бетона II вида

2.6.1. Описание механизма коррозии

Этот вид коррозии связан с обменными реакциями между кислотами и солями окружающей среды и составными частями цемент-

65

ного камня. Чем интенсивнее реакция, тем скорее разрушается бетон. Разрушение идет с поверхности вглубь изделия. Далее продукты реакции могут смываться механически, либо обладать некоторыми вяжущими свойствами, влияя на процесс коррозии.

Разновидностью II вида коррозии является углекислотная коррозия. В природе она встречается наиболее часто, так как углекислота (Н2СО3) присутствует в грунтовых водах за счет биохимических процессов.

На первом этапе происходит реакция между агрессивной углекислотой и карбонатом кальция:

Са(ОН)2 + Н2СО3 СаСО3 + 2Н2О.

При избытке ионов ОН– на поверхности цементного камня вначале образуется карбонат кальция в твердом виде, который затем переходит в раствор в виде бикарбоната:

СаСО3 + Н2СО3 Са(НСО3)2.

Характеристикой интенсивности коррозии служит количество СаО (в виде бикарбоната) в агрессивном растворе.

Пуццолановый портландцемент и глиноземистый несколько более стойкие, чем портландцемент, что объясняется уплотняющим действием продуктов коррозии, препятствующим свободной диффузии Са++ к поверхности цементного камня.

Агрессивность раствора возрастает с увеличением содержания агрессивной углекислоты, т. е. со снижением водородного показателя (рН).

Типичным примером II вида коррозии является действие кислот на цементный камень.

Под воздействием кислоты цементный камень полностью разрушается:

Са(ОН)2 + Н2SО4 (или 2Н Сl; НNО3) =

= СаSО4 (или СаСI2 Са(NО3)2) + 2Н2О;

n СаО m SiО2 + р Н2SО4 + aq = n СаSО4 m Si(ОН)4 + aq.

66

Взависимости от растворимости продуктов реакции изменяется

искорость коррозионного процесса. Например: поверхностные слои можно обрабатывать слабым раствором кремнефтористоводородной кислоты для их уплотнения:

3Са(ОН)2 + Н2SiF6 = 3СаF2 + Si(ОН)4 + 2Н2О.

Гель Si(ОН)4 в порах слаборастворим, а фторид кальция уплотняет поверхность.

Скорость коррозии II вида возрастает при увеличении концентрации кислоты и скорости фильтрации. Опыты показали, что разрушение бетона происходит быстро, но в более концентрированных растворах (рН = 1) пуццолановые портландцементы обладают равной с портландцементом или меньшей стойкостью, а в растворах слабой концентрации (рН = 4) стойкость пуццоланового портландцемента равна (для НСl) или выше (для Н2SО4) стойкости портландцемента.

Средние относительные скорости коррозии для различных видов вяжущих приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Средняя относительная скорость коррозии

Влияние кислоты на скорость коррозии также определяется растворимостью продуктов коррозии. В табл. 2.7 приведена растворимость некоторых продуктов взаимодействия кислоты с цементным камнем.

67

Таблица 2.7

Растворимость продуктов взаимодействия кислоты с цементным камнем (солей)

Следующей разновидностью коррозии II вида является действие на бетон растворов магнезиальных солей. В основном это сернокислый и хлористый Мg, которые присутствуют в грунтовых водах и морской воде. Взаимодействие идет по следующей схеме:

МgSО4 Са(ОН)2 = СаSО4 + Мg(ОН)2; МgСl 2 Са(ОН)2 = СаСl 2 + Мg(ОН)2.

Мg(ОН)2 – трудно растворим (18,2 мг/л) и выпадает в осадок. На поверхности бетона и в порах образуется белый налет, а за-

тем происходит скопление белого аморфного вещества.

Действие растворов щелочей также относится к коррозии II вида. Существуют утверждения, что щелочи безвредны для бетона.

Однако на предприятиях по производству едкого натра и соды разрушаются не только бетон, но и кирпичная, каменная кладки.

Растворы щелочей низкой концентрации сами по себе не причиняют значительного вреда бетону, но если в бетоне возникает возможность карбонизация щелочей под действием углекислого газа воздуха (СО2), то происходит накопление в структуре кристаллизирующихся углекислых солей, что приводит к его разрушению.

68

При воздействии на цементный камень и бетон растворов щелочей высокой концентрации механизм коррозии заключается в том, что растворимость Са(ОН)2 при этом значительно снижается, а растворимость других составляющих цементного камня (кремнезема и полуторных окислов) увеличивается в основном за счет образования силикатов и алюминатов натрия и калия. Отсюда следует, что воздействие щелочи высокой концентрации на элементы цементного камня и заполнителей, содержащих кремнезем или глинозем, может вызвать разрушение бетона.

Коррозия может происходить по одному из двух вариантов:

при полном погружении бетона коррозия за счет растворения

SiО2 и АI2О3 из цементного камня и заполнителя. Чем выше концентрация NaОН, КОН, тем интенсивнее коррозия;

при наличии испаряющей поверхности и доступе СО2 коррозия

восновном вызывается кристаллизацией углекислых солей щелочных металлов в порах и капиллярах (механизм рассмотрен выше).

Повышение температуры среды увеличивает скорость коррозии при действии щелочей как высокой, так и низкой концентрации.

К технологическим приемам придания стойкости бетону при воздействии на него растворов щелочей высокой концентрации является повышение плотности (водонепроницаемости), а также использование в качестве вяжущего портландцемента (содержится меньше SiО2, чем в пуццолановом и шлакопортландцементе).

2.6.2. Методы защиты от коррозии II вида

К основным методам защиты от действия на бетон кислот относятся:

применение кислотоупорных цементов;

применение полимербетонов;

изоляция поверхности окраской, облицовкой.

2.7.Коррозия бетона III вида

2.7.1. Описание механизма коррозии

Основным признаком этого вида коррозии является накопление в порах и капиллярах солей с последующей их кристаллизацией с увеличением объема твердой фазы. Соли образуются либо в результате реакции агрессивной среды с компонентами цементного камня,

69